讓綠色創(chuàng)意變成現(xiàn)實(shí)

王　瑩

摘要：節(jié)能浪潮正在席卷世界各地，大眾越來越關(guān)心電子產(chǎn)品的節(jié)能問題。本文介紹了部分企業(yè)和設(shè)計(jì)者的新產(chǎn)品或創(chuàng)意。

關(guān)鍵詞：可再生能源；風(fēng)能；太陽能；污染；監(jiān)控太陽能、風(fēng)能成熱點(diǎn)

電源鏈包括三方面：發(fā)電、傳輸和消費(fèi)(如圖1)。在發(fā)電環(huán)節(jié)，風(fēng)能和太陽能成為半導(dǎo)體廠商關(guān)心的熱點(diǎn)。例如，英飛凌公司針對可再生能源使用方面主要方案是風(fēng)能和太陽能，像EmCon二極管，TrenchStop IGBT和高功率BIP(雙極性功率管)等。“由于封裝是實(shí)現(xiàn)大電流技術(shù)的關(guān)鍵之一，英飛凌的EconoPACK、大電流IHM模塊、BIP模塊和系統(tǒng)組件等先進(jìn)封裝技術(shù)成為上述產(chǎn)品高效運(yùn)作的有利保障。”英飛凌(Infineon)科技香港公司家電及工業(yè)功率器件市場高級(jí)經(jīng)理馬國偉博士指出。

美國國家半導(dǎo)體公司(NS)CEO(首席執(zhí)行官)Brian Halla在2009新年致辭中特別提到了對新能源的重視，他表示除了推出各種高能效的模擬技術(shù)，NS還在為太陽能推出高性能的模擬技術(shù)。例如，NS的SolarMagic技術(shù)可以將有問題或被陰影遮蔽的電池板隔離，而無需取出串聯(lián)著的同組電池板。這樣一來，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)余下的電池板，繼續(xù)進(jìn)行高性能發(fā)電。

Freescale“走進(jìn)綠色"美洲作品選

為了支持綠色設(shè)計(jì)，嵌入式微控制器(MCU)的領(lǐng)軍廠商Freescale公司在2008年舉辦了美洲和中國等地的“2008 FTF國際設(shè)計(jì)應(yīng)用大賽”，主題是：如何把綠色工程最佳地應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)。以下介紹該公司北美地區(qū)的8個(gè)入圍十佳項(xiàng)目，其中有4個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來自大學(xué)學(xué)生，排名不分先后。

凈水分流器

凈水分流器是一種保護(hù)水資源的簡單創(chuàng)意，在正常情況下，水是通過處理系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，而不再服務(wù)于其他用途。實(shí)質(zhì)上，系統(tǒng)使用戶可以從水龍頭中接到熱水，而熱水通常是順著水管向下流，然后把它分流到盥洗室的貯水槽。

凈水分流器由位于加拿大安大略倫敦的OES公司的Mark Donkers提交。凈水分流器材料單(BOM)包括：

·操作員界面；

·雙渠道水分流器；

·貯水槽監(jiān)視器；

·單渠道水分流器。

每個(gè)模塊都通過與執(zhí)行所有邏輯功能的8位MC9S08GT MCU相集成的MC13211 2.4GHz RF收發(fā)器(采用系統(tǒng)級(jí)封裝，SiP)進(jìn)行通信。系統(tǒng)自動(dòng)把收集來的水從貯水槽分流到盥洗室槽，以沖洗廁所。

數(shù)字太陽能蒸餾器

用太陽能從污水中提取可飲用水并不是大部分人們所認(rèn)為的“高科技”。蒸餾器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)頂部為玻璃的盒子，可以收集太陽能蒸發(fā)的冷凝蒸氣。然而，數(shù)字太陽能蒸餾器并不是把可再利用的水收集在壇子或瓶子中，而是智能地在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間把水分配到需要的地方。

數(shù)字太陽能蒸餾器(圖2)由墨西哥圣路易斯波托西市的Jose Luis Rojas提交，它具有額外的傳感器技術(shù)，可以估計(jì)一天的飲用水生產(chǎn)。如果把天氣變量編程到MCU(如太陽光的預(yù)計(jì)小時(shí)數(shù))中，數(shù)字太陽能蒸餾器還可以估計(jì)每周和每月的用水總量。BOM(材料清單)包括：

·MCF51QE128－Flexis 32位MCU；

·MCl3203－用于ZigBee應(yīng)用的2.4GHzRF收發(fā)器；

·MPXV5004一集成的壓力傳感器；

·MC13213－帶有MC9S08GT 8位的MCU2.4GHzRF收發(fā)器SiP。

數(shù)字太陽能蒸餾器對發(fā)展中國家尤其有用，因?yàn)檫@些地方的飲用水和水管理系統(tǒng)的獲取可能會(huì)有一定的限制，該產(chǎn)品采用低成本組件設(shè)計(jì)，可謂一個(gè)誘人的方案。

用于溫室自動(dòng)化的基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

溫室管理涉及對不同單元的持續(xù)監(jiān)視和激活，為植物生長維持一個(gè)適宜的環(huán)境。當(dāng)用人工完成這些任務(wù)時(shí)，不但耗時(shí)，而且對理想的生長環(huán)境不利。這個(gè)項(xiàng)目建議采用支持無線的自動(dòng)系統(tǒng)，管理灌溉系統(tǒng)、施肥、CO₂注入、加熱和冷卻系統(tǒng)、輔助照明和其他功能。

基于ZigBee的自動(dòng)化系統(tǒng)由墨西哥托盧卡市CODE Ingenieria SA de CV的Femando Gasca等5人提交，旨在讓每個(gè)溫室形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)溫室有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元：

·對接器件，采用MCF5208 ColdFire MCU執(zhí)行大部分處理任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)配置程序。如果需要范圍擴(kuò)展器，對接可作為ZigBee路由器使用；

·遙控，具有圖形LCD和電容觸摸袖珍鍵盤控制；

·傳感器節(jié)點(diǎn)，具有默認(rèn)的板內(nèi)溫度、濕度和光傳感器及用于客戶傳感器的額外模數(shù)輸入；

·制動(dòng)器節(jié)點(diǎn)，具有板內(nèi)鎖定電源繼電器，為各種單元供電，如灌溉、CO₂注入、加熱、照明等。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遵循星形拓?fù)洌總€(gè)單元均采用一個(gè)帶有BeeStack ZigBee協(xié)議堆棧的2.4GHz MC13213 RF收發(fā)器，用于無線通信。

風(fēng)輪機(jī)活動(dòng)控制系統(tǒng)

作為一種替代能源，風(fēng)力是一種更為環(huán)境友好的選擇，它能夠在控制污染的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了最大限度地利用風(fēng)力發(fā)電，水平軸風(fēng)輪機(jī)的電子控制系統(tǒng)可以確保在任何時(shí)間的適當(dāng)校正風(fēng)力及正確間距值的維持，即便是在不斷位移的條件下。

風(fēng)輪機(jī)激活控制系統(tǒng)由墨西哥奇瓦瓦市蒙特雷技術(shù)大學(xué)的Oscar Roberto Salinas等5名同學(xué)提交，包括下列BOM：

·Flexis 32位MCF51QE128 MCU

·3個(gè)MMA7260Q加速計(jì)；

·8個(gè)MPXV5004G壓力傳感器。

該系統(tǒng)旨在監(jiān)視風(fēng)速和風(fēng)向，并相應(yīng)地連續(xù)調(diào)節(jié)渦輪機(jī)襯片和葉片間距。舉例來說，系統(tǒng)不僅處理當(dāng)前風(fēng)向，而且也處理以前風(fēng)向，以預(yù)測下一刻的風(fēng)向。這種檢測實(shí)現(xiàn)了方位的平穩(wěn)和及時(shí)的更改。相似流程可用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的間距。

日光效率探測儀

日光效率探測儀提供了一種監(jiān)視PV(光電)矩陣中每個(gè)PV模塊效率的方式，確保整個(gè)系統(tǒng)以最高性能水平運(yùn)行，從而消除了查找故障PV模塊的昂貴而耗時(shí)的人工檢測。

系統(tǒng)由美國佛羅里達(dá)州New PortRichey的FACTS Engineering的ThomasMoulton提交，每個(gè)PV模塊都與一個(gè)低成本8位MC9S08QG8MCU相連。模塊由自己供電，QG8將采用集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)監(jiān)控模塊的電壓輸出，查找由于灰塵堆積、連接不良或模塊性能退化而導(dǎo)致的面板低效率。然后，QG8通過比較集成數(shù)據(jù)和歷史信息數(shù)據(jù)庫，驗(yàn)證PV的狀態(tài)。

片上通用異步收發(fā)器(UART)被用來與多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的MPC8313 PowerQUICCⅡ微

處理器交換數(shù)據(jù)。處理器將定期輪詢整個(gè)太陽能矩陣中的每個(gè)QG8，以讀取其狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)了對最小現(xiàn)場可替換單元層的矩陣性能的持續(xù)監(jiān)控。

智能斯特林發(fā)電機(jī)

斯特林引擎是閉合循環(huán)加熱引擎，可用來為大量應(yīng)用提供機(jī)械力或電動(dòng)力。從理論上說，它能夠提供完美的效率，然而，事實(shí)證明很難實(shí)現(xiàn)。智能斯特林發(fā)電機(jī)由墨西哥Villa Cuauhtemoc市的Alejandro Macario提交，它利用熱力學(xué)原理、特殊磁矩陣及電子組件，來提高諸如便攜式發(fā)電機(jī)等應(yīng)用的效率。

該項(xiàng)目的BOM包括：

·Flexis 8位MC9S08QE128微控制器；

·MPCI8730電源管理IC；

·MC33976雙測量驅(qū)動(dòng)；

·MMA7260Q加速計(jì)；

·MPXV5004G壓力傳感器；

·5個(gè)溫度傳感器。

從根本上說，這創(chuàng)造了一個(gè)能夠更有效發(fā)電的自由活塞斯特林引擎：

·使用磁力馬達(dá)，通過內(nèi)部摩擦極大減少能量損失；

·采用Halbach矩陣，倍增線圈發(fā)電機(jī)的磁場；

·用靈活的8位MCU，通過電子方式控制引擎，來提高各個(gè)工作條件下的性能。

太陽跟隨器

當(dāng)太陽光線以垂直角度照射在儀器表面時(shí)，太陽能系統(tǒng)是最有效的，無論是PV模塊還是太陽能收集器。電子太陽能跟隨器采用垂直和水平制動(dòng)器，可以使PV矩陣或收集器隨太陽移動(dòng)，以維持最大效率。

出生在阿根廷圣弗朗西斯科的阿根廷國家科技大學(xué)學(xué)生Pablo Di Guilio提交了一個(gè)簡單、低功率太陽能跟隨器的計(jì)劃。關(guān)鍵組件包括：

·Flexis 8位MC9S08QE128 MCU，為整個(gè)太陽能電源系統(tǒng)計(jì)算最佳定位，

·定時(shí)器和日期時(shí)鐘；

·脈寬調(diào)制(PWM)制動(dòng)器控制。

該系統(tǒng)能夠把發(fā)電量提高35％，并且可以優(yōu)化光纖太陽能收集器提供的天然照明。

靈活的能源管理和自動(dòng)化系統(tǒng)

靈活的能源管理和自動(dòng)化系統(tǒng)(FEMAS)是家庭自動(dòng)化和家庭能源管理解決方案的結(jié)合，它把熟悉的光開關(guān)與插座更換和中央控制器結(jié)合起來。它采用專用的IEEE 802.15.4協(xié)議，實(shí)現(xiàn)照明和設(shè)備的自動(dòng)化及能源使用的監(jiān)視。

美國北卡羅來納州卡雷市Triangle Advanced Design and Automation的Charles Lord提交的這一系統(tǒng)的核心是Flexis 8位MC9S08JM60 USB微控制器，它能夠在無需主機(jī)PC交互的情況下，執(zhí)行所有日常功能。系統(tǒng)本身可以輕松升級(jí)到更強(qiáng)大的Flexis器件，即兼容引腳的MCF51JM128 ColdFire嵌入式控制器，以提供更多的計(jì)算能力。

此外，F(xiàn)EMAS還包括提出成本節(jié)省建議的PC軟件，包括降低燈泡瓦數(shù)、減少電路、關(guān)閉不用或不必要的電路等，使它成為一個(gè)完整的家庭能源管理系統(tǒng)。

軟硬件協(xié)作實(shí)現(xiàn)綠色

軟件廠商也十分關(guān)注環(huán)保，為綠色創(chuàng)意搭建平臺(tái)。例如，2008年微軟“創(chuàng)新杯”(Imagine Cup)全球?qū)W生大賽的主題是“科技可以實(shí)現(xiàn)全球的可持續(xù)發(fā)展”。來自北京郵電大學(xué)Wings團(tuán)隊(duì)獲得了嵌入式開發(fā)項(xiàng)目全球第二名的佳績(圖3)。作品的主要?jiǎng)?chuàng)意是鑒于海洋石油污染已經(jīng)成為“海洋污染超級(jí)殺手”，在對青島國家海洋局走訪和調(diào)研之后，學(xué)生們開發(fā)了此系統(tǒng)。

AquaMarine是一個(gè)對石油污染實(shí)時(shí)監(jiān)控的分布式系統(tǒng)，主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。該項(xiàng)目將數(shù)據(jù)采集部分嵌入到海洋浮標(biāo)中，從結(jié)點(diǎn)有兩類傳感器，第一類傳感器是判斷石油污染發(fā)生的，主要是透光度傳感器，紅外傳感器。還有預(yù)測未來的石油污染的狀況的傳感器，主要有風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，還有水流速傳感器，采集到的數(shù)據(jù)傳到主結(jié)點(diǎn)上；主結(jié)點(diǎn)通過內(nèi)嵌的GPRS與陸地上的處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理中心通過專門的軟件進(jìn)行處理。該項(xiàng)目有專門的處理數(shù)據(jù)的軟件。在系統(tǒng)的具體開發(fā)和實(shí)施過程中，利用了WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))、專家系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型預(yù)測分析等技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，保證了系統(tǒng)的有效性和可靠性，并將整套系統(tǒng)維持在一個(gè)較低的成本上。

AquaMarine主要采用的硬件是Atmel AVR系列單片機(jī)和基于x86架構(gòu)的嵌入式設(shè)備eBox-4300。單片機(jī)利用WinAVR軟件進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)語言為C。eBox-4300帶有微軟的Windows Embedded CE 6，0操作系統(tǒng)，Wings隊(duì)通過重新編譯和燒錄，將符合最小要求的系統(tǒng)寫入到eBox當(dāng)中，從而對其傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。一方面，他們利用eBox的處理能力和WinCE強(qiáng)大功能相結(jié)合，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；另一方面，他們利用WinCE中的串口接口和無線模塊之間進(jìn)行通信。

總之，從功率器件、模擬器件、嵌入式芯片到軟件，從供貨商到設(shè)計(jì)公司，越來越多的電子企業(yè)和設(shè)計(jì)者正以創(chuàng)新節(jié)能為己任，為保護(hù)綠色地球、創(chuàng)造美好明天而貢獻(xiàn)綿薄之力。